基于检测加固的抗异址干扰DSSS信号捕获方法及接收机与流程

本发明涉及航天信号捕获技术领域，具体涉及一种基于检测加固的抗异址干扰直接序列扩频信号捕获方法及信号接收机。

背景技术：

直接序列扩频(DSSS)信号具有抗截获和抗干扰能力强的优点，可以实现码分多址，广泛应用于航天测控通信、卫星导航和通信等领域。接收端利用各用户分配的地址码之间的相关特性，实现目标信号的检测同步。考虑地址码之间并非理想正交，DSSS接收机不可避免地会受到其他用户地址码的影响，出现异址干扰的现象。尤其在强异址干扰的场景下，目标信号的捕获性能恶化严重，甚至会影响接收机的正常工作。因此，需要研究抗异址干扰的捕获方法。

常用的抗异址干扰的捕获方法分为三类：基于干扰重构消除的捕获方法、基于干扰自适应滤波的捕获方法和基于检测加固的捕获方法。

基于干扰重构消除的捕获方法和基于干扰自适应滤波的捕获方法，均需要所有异址干扰和目标信号的地址码为先验信息。其中，干扰重构消除是通过多级干扰对消实现的，后级根据前级数据判决结果进行干扰重构，进而从接收信号中对消，因此前级数据的错误判决将严重影响后级信号检测同步的正确性。干扰自适应滤波方法根据异址干扰和目标信号的互相关函数以及误差函数设置滤波器系数，并通过多次迭代实现干扰信号的滤除，该方法实现复杂度高，实时性差。

检测加固是在常规的捕获方法的基础上，就检测判决模块加以改进。该方法可以在一定程度上提高捕获的抗干扰能力，且不需要异址干扰的地址码信息作为先验信息，不依赖于后续的跟踪、数据解调等模块，实现简单，实时性好。在2011年Journal of Systems Engineering and Electronics第22期1卷第157页至163页由Yongqing Wang等人发表的“New acquisition decision algorithm for multiple access interference suppression in DSSS system”一文中，以接收信号和本地地址码相关结果绝对值的最大值和次大值比值作为判决量，提出一种基于主次比的检测判决算法。经验证该方法能够有效地提高捕的抗干扰性能。然而该方法以次峰作为旁瓣参考电平构建判决量，而次峰位于较高目标信号地址码自相关函数旁瓣位置的概率较大，受其影响旁瓣参考电平较高，信号捕获存在缺陷。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种基于检测加固的抗异址干扰直接序列扩频信号捕获方法及信号接收机，能够削弱目标信号地址码自相关旁瓣带来的不利影响，实现异址干扰下捕获性能的进一步提高。

本发明的基于检测加固的抗异址干扰直接序列扩频信号捕获方法，包括如下步骤：

步骤1，生成本地载波和待捕获信号的地址码；

步骤2，利用步骤1生成的本地载波和地址码对接收信号进行相关处理，获得相关结果x；

步骤3，对相关结果进行选大，获得相关峰值V及其对应的相关峰位置I；

步骤4，对地址码自相关旁瓣电平进行由小到大的排序，从序列中选取前1个以上地址码自相关旁瓣电平对应位置上的相关结果x值作为样本，对样本的电平进行统计，以样本电平统计值作为旁瓣参考电平m_x；(由于目标信号地址码在系统设计时已经设定，与实际接收信号无关，故地址码自相关可以预先计算)

步骤5，计算判决统计量Z：Z＝V/m_x；

步骤6，采用判决统计量Z与设定的恒虚警门限进行判决，当判决统计量Z超过门限，表示捕获成功，由步骤3获得的相关峰位置I计算出多普勒频率和伪码相位估计结果，并输出作为捕获结果；否则捕获失败，重启捕获。

进一步的，所述步骤4中，样本电平统计值为样本电平的均值或方差或标准差。

本发明还提供了一种信号接收机，所述信号接收机的捕获单元包括本地载波与地址码生成模块、相关模块、选大模块、均值计算模块、判决量计算模块和检测判决模块；

其中，所述本地载波与地址码生成模块用于生成本地载波和地址码，并将本地载波和地址码输出给相关模块；

所述相关模块利用本地载波和地址码，对接收信号进行相关处理，并将相关结果x输出给选大模块和均值计算模块；

所述选大模块对相关结果的模值或模平方值进行选大，获得相关峰值V和相关峰位置I，并将相关峰值V输出给判决量计算模块，将相关峰位置I输出给均值计算模块和检测判决模块；

所述均值计算模块根据相关模块输出的相关结果和选大模块输出的相关峰位置I，对预先选定的样本的电平值进行统计，以样本的均值或方差或标准差作为旁瓣参考电平m_x，并将旁瓣参考电平m_x输出给判决量计算模块；其中，所述样本可预先根据地址码自相关结果选定，具体的，对地址码自相关旁瓣电平进行由小到大的排序，从序列中选取前1个以上地址码自相关旁瓣电平对应位置上的相关结果x值作为样本；

所述判决量计算模块以相关峰值V和旁瓣参考电平m_x之比作为判决统计量Z，并将判决统计量Z输出给检测判决模块；

所述检测判决模块将判决统计量Z与预设恒虚警门限V_T进行比较，若判决统计量Z超过门限，则捕获成功，由选大模块输出的相关峰位置I计算出多普勒频率和伪码相位估计结果，并输出作为捕获结果；否则捕获失败，重启捕获。

进一步的，还包括旁瓣地址产生模块和逻辑控制模块；

其中，所述逻辑控制模块预置多普勒频率搜索值，计算本地载波频率控制字和地址码频率控制字，均输出给本地载波与地址码生成模块；

本地载波与地址码生成模块根据逻辑控制模块输出的本地载波频率控制字，生成本地载波，输出给相关模块；根据逻辑控制模块输出的地址码频率控制字，修正本地码速率f_c，获得修正后的本地码速率f_c′，根据修正后的本地码速率f_c′产生地址码，并将地址码输出给相关模块，同时将修正后的本地码速率f_c′输出给旁瓣地址产生模块；

所述相关模块根据载波与地址码生成模块输出的本地载波和地址码，对接收信号进行相关处理，输出相关结果x(i),i＝0,1,2,…,Ns-1，其中i为搜索码相位标号，Ns为码相位维总搜索数目，Ns＝T×f_s，其中T为地址码周期，f_s为采样率；并将相关结果输出至均值计算模块和选大模块；

选大模块从相关模块输出相关结果中选取最大值作为相关峰值V并记录其所在的位置I，将所述相关峰值V输出给判决量计算模块，相关峰位置I输出给旁瓣地址产生模块和逻辑控制模块；

旁瓣地址产生模块中设有查找表，查找表长度为地址码周期；所述查找表中各寄存单元的地址对应码地址自相关结果旁瓣所在位置，并将预先选定的样本的位置对应的寄存单元的值设置为1，其他位置对应的寄存单元的值设置为0；其中，所述样本可预先根据地址码自相关结果选定，具体的，对地址码自相关旁瓣电平进行由小到大的排序，从序列中选取前1个以上地址码自相关旁瓣电平对应位置上的相关结果x值作为样本。

旁瓣地址产生模块根据本地载波与地址码生成模块输出的修正后的本地码速率f_c′，计算频率控制字F_w＝f_c′/f_s；旁瓣地址产生模块中的地址累加器初值设为0，以频率控制字F_w为步进累加，产生查找表读地址P(j),j＝0,1,2,…,Ns-1，依次从查找表中读取读地址P(j)所对应的查找表寄存单元的值，记为En(j)，j＝0,1,2,…,Ns-1；将P(j)叠加至相关峰位置I上获得旁瓣地址P′(j)，与En(j)一同输出给均值计算模块；其中，P′(j)＝mod{I+P(j),Ns}，mod表示取余操作；

均值计算模块将相关模块输出的相关结果x(i)存入寄存器；同时接收旁瓣地址产生模块输出的P′(j)，以P′(j)作为地址从寄存器中读取相关结果x(P′(j))，计算所有En(j)＝1时对应x(P′(j))的均值m_x，则输出给判决量计算模块；

判决量计算模块计算检测判决量后输出至检测判决模块；检测判决模块将检测判决量与设定的恒虚警门限比较，若检测判决量大于门限，则将标志信号flag设为1，反之为0；将标志信号flag输出给逻辑控制模块；

逻辑控制模块接收标志信号flag和相关峰位置I；当flag＝0时，认为当前频点下目标信号不存在，更换当前搜索频点，将下一搜索频点发送至本地载波与地址码生成模块；当flag＝1时，判定目标信号存在，捕获成功，将当前搜索频率和峰值位置I分别作为多普勒频率和地址码相位捕获结果输出，完成捕获。

有益效果：

与基于干扰重构消除、干扰自适应滤波的捕获方法相比，本发明基于检测加固实现抗异址干扰，因此不需要预知异址干扰信号的地址码序列，且实现复杂度低，资源消耗小，实时性高。

与基于主次比的检测加固捕获方法相比，本发明充分利用了目标信号地址码自相关特性，选取自相关结果较低旁瓣辅助相关峰值构建判决量，削弱了目标信号地址码自相关旁瓣带来的不利影响，实现异址干扰下捕获性能的进一步提高，具体表现为：在捕获检测性能、信噪比相同的条件下，本发明方法可以容忍的干扰功率更高，且信噪比越低，对容忍干扰功率容忍度的提升越明显，表明本发明方法可以有效提升接收机抗异址干扰能力；在干噪比、信噪比、虚警概率相同的条件下，本发明的检测概率有所提高，并且随着信噪比的降低，检测概率改善效果更加明显，说明在异址干扰下，本发明方法对捕获检测性能有所改善；在相同捕获检测性能以及相同干噪比的条件下，本发明方法要求的接收信号信噪比更低，说明在异址干扰下，本发明方法能够提升接收机灵敏度。另外，相比常规主次比检测捕获方法的资源消耗，本发明方法中增加的均值计算模块、和旁瓣地址产生的资源消耗增长非常小。

附图说明

图1为某码长1023的Gold码自相关函数及其统计特性。(a)某地址码自相关函数；(b)自相关函数统计结果。

图2为均值计算模块时序图。

图3为本发明基于检测加固的抗异址干扰直接序列扩频信号捕获方法接收机框图。

图4为本发明基于检测加固的抗异址干扰直接序列扩频信号捕获方法考虑多普勒多码速率影响等实际情况时接收机实现框图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于检测加固的抗异址干扰直接序列扩频信号捕获方法，对基于主次比的检测判决算法进行改进，目标信号地址码自相关函数的分布特性(目标信号地址码自相关函数中较低旁瓣数占总相关点数的比重较大，样本数量较多，且对相关旁瓣电平的影响小)，在最低自相关旁瓣位置统计接收信号与本地信号的相关结果作为相关旁瓣参考电平，进而结合相关峰构建判决量，实现相关旁瓣电平的降低。进而，对该判决量进行检测判决，实现捕获的检测加固，以提升异址干扰下捕获性能。

本地信号与接收信号的相关结果中包含本地信号与目标信号的自相关、本地信号与异址干扰和噪声的互相关。其中本地信号与目标信号自相关函数是确知的，且自相关结果旁瓣并不为0。以常用的Gold码为例，自相关旁瓣电平有高低之分，如图1所示。通常，相关结果绝对值的峰值越高且旁瓣电平越低，捕获检测性能越好。主次比判决量，以次峰作为旁瓣参考电平，而次峰位于较高自相关函数旁瓣位置的概率较大，受其影响旁瓣参考电平较高，有待进一步改善。

本发明利用该自相关函数的分布特性，根据统计的较低的旁瓣参考电平构建判决量。

具体实现步骤如下：

步骤一：生成本地载波和待捕获信号的地址码。

步骤二：利用本地载波和地址码对接收信号进行相关处理，获得相关结果。

步骤三：对相关结果进行选大，获得相关峰值V及其对应的相关峰位置I。

步骤四：在已知的地址码自相关结果中，除了一个主峰以外，其余的为旁瓣，其中，旁瓣电平有高低之分；对地址码自相关旁瓣电平进行由小到大的排序，从序列中选取前1个以上地址码自相关旁瓣电平对应位置上的相关结果x值作为样本，样本数目越多，统计性能越好但计算复杂度也越高；对样本电平进行统计(可选择均值、方差或标准差作为统计量)，以样本电平统计值作为旁瓣参考电平m_x。

步骤五：由步骤三获得的相关峰值V和步骤四获得的参考电平m_x，计算判决统计量Z(Z＝V/m_x)。

步骤六：根据判决统计量Z与设定的恒虚警门限进行判决，当判决统计量超过门限，则捕获成功，由步骤三获得的相关峰位置计算出多普勒频率和伪码相位估计结果，并输出作为捕获结果；否则捕获失败，重启捕获。

本发明还提供了一种信号接收机，所述接收机的捕获单元包括：本地载波与地址码生成模块、相关模块、选大模块、均值计算模块、判决量计算模块和检测判决模块，如图3所示。该系统可以描述如下。

(1)本地载波与地址码生成模块生成本地载波和地址码，输出给相关模块。

(2)相关模块接收本地载波和地址码，与接收信号进行相关处理，输出相关结果给选大模块和均值计算模块。

(3)选大模块接收相关结果，对相关结果的模值(或模平方值)进行选大，获得相关峰值V及其对应的相关峰位置I，将相关峰值V输出给判决量计算，将相关峰位置I输出给检测判决模块和均值计算模块。

(4)均值计算模块接收相关结果和峰值位置，对预先选定的样本的电平值进行统计，(样本数目越多，统计性能越好但计算复杂度也越高)。根据所得样本计算的统计结果(均值、方差或标准差)，所述统计结果即为旁瓣参考电平m_x，将旁瓣参考电平m_x输出给判决量计算模块。其中，所述样本可预先根据地址码自相关结果选定，具体的，对地址码自相关旁瓣电平进行由小到大的排序，从序列中选取前1个以上地址码自相关旁瓣电平对应位置上的相关结果x值作为样本。

(5)判决量计算模块接收相关峰值V和旁瓣参考电平m_x，做比获得判决统计量Z，输出给检测判决模块。

(6)检测判决模块接收判决统计量Z，与预设恒虚警门限V_T比较，若检测统计量超过门限，则捕获成功，由接收的相关峰位置I计算出多普勒频率和伪码相位估计结果，并输出作为捕获结果；否则捕获失败，重启捕获。

考虑多普勒对伪码速率的影响等实际因素，设计如下实现方案(不失一般性，这里以选择所有较低旁瓣位置对应相关结果作为样本，对其进行均值统计作为旁瓣参考电平为例)。

本方案包括：峰值选大、旁瓣地址产生、均值计算、判决量计算。所述抗异址干扰方法所采用的系统包括逻辑控制模块、本地载波与地址码生成模块、相关模块和检测判决模块。具体有如下步骤：

(1)设置峰值选大、旁瓣地址产生、均值计算和判决量计算模块，所述选大模块与相关模块、旁瓣地址产生模块、判决量计算模块和逻辑控制模块相连，所述旁瓣地址产生模块与均值计算模块、本地载波与地址码生成模块相连，所述均值计算模块与相关模块和判决量计算模块，所述判决量计算模块还与检测判决模块相连。

(2)旁瓣地址产生模块设有查找表，其长度为地址码周期。所述查找表中各寄存单元的地址对应码地址自相关结果旁瓣所在位置，并将预先选定的样本的位置对应的寄存单元的值设置为1，其他位置对应的寄存单元的值设置为0。其中，所述样本可预先根据地址码自相关结果选定，具体的，对地址码自相关旁瓣电平进行由小到大的排序，从序列中选取前1个以上地址码自相关旁瓣电平对应位置上的相关结果x值作为样本。

以某长度为1023的Gold码为例，其自相关函数绝对值|R(τ)|如图1所示。可见自相关函数主要有三种取值：①自相关主瓣，高度为1023；②较高旁瓣，高度为65或63，所占百分比约为25％；③较低旁瓣，高度为1，所占百分比约为75％。若将此Gold码作为目标信号的地址码，选取情况③对应位置上的相关结果x值作为样本，则查找表中对应情况①和②的地址处数据置为0，对应情况③的地址处数据置为1。

(3)逻辑控制模块根据预置的多普勒频率搜索值，计算本地载波频率控制字和地址码频率控制字，输出给本地载波与地址码生成模块。

(4)本地载波与地址码生成模块根据逻辑控制模块输出的本地载波频率控制字，生成本地载波，输出给相关模块；根据逻辑控制模块输出的地址码频率控制字，修正本地码速率f_c，获得修正后的本地码速率f_c′，并产生地址码输出给相关模块，同时将f_c′输出给旁瓣地址产生模块。

其中，为当前搜索多普勒频率，f₀为射频频率。

(5)相关模块根据载波与地址码生成模块输出的本地载波和地址码，对接收信号进行相关处理，输出相关结果x(i),i＝0,1,2,…,Ns-1，其中i为搜索码相位标号，Ns为总搜索数目，通常Ns＝T×f_s，其中T为地址码周期，f_s为采样率。将相关结果输出至均值计算模块和选大模块。

(6)选大模块接收相关模块输出相关结果x，选取x的最大值作为相关峰值V并记录其所在的位置I，将所述相关峰值V输出给判决量计算模块，相关峰位置I输出给旁瓣地址产生模块和逻辑控制模块。

(7)旁瓣地址产生模块用于生成地址码自相关结果中较低旁瓣所在位置。旁瓣地址产生模块接收多普勒修正后的伪码速率f_c′，计算频率控制字F_w＝f_c′/f_s。旁瓣地址产生模块中的地址累加器初值设为0，以频率控制字F_w为步进累加，产生查找表读地址P(j),j＝0,1,2,…,Ns-1，依次从查找表中读取读地址P(j)所对应的查找表寄存单元的值，记为En(j)，j＝0,1,2,…,Ns-1。将P(j)叠加至相关峰位置I上获得旁瓣地址P′(j)，与En(j)一同输出给均值计算模块(时序关系如图2所示)。其中，P′(j)＝mod{I+P(j),Ns}，mod表示取余操作。

(8)均值计算模块接收相关结果x(i)，存入寄存器中。同时接收旁瓣地址产生模块输出的P′(j)，以P′(j)作为地址从寄存器中读取相关结果x(P′(j))，计算所有En(j)＝1时对应x(P′(j))的均值m_x，则输出给判决量计算模块。

(9)判决量计算模块接根据相关峰值V和均值m_x，计算检测判决量Z＝V/m_x输出给检测判决模块。

(10)检测判决模块接收Z，并将其与预设恒虚警门限V_T比较，若Z大于门限，则将标志信号flag设为1，反之为0，并将标志信号flag输出给逻辑控制模块。

由于信道环境未知，为了满足恒虚警准则，需要分别计算不同信道环境(纯噪声环境和不同程度的干扰环境)下虚警概率为P_FA时对应的门限,选择其中的最大值作为最终的检测判决门限(设为V_T)。

(11)逻辑控制模块接收标志信号flag和相关峰位置I。当flag＝0时，则认为当前频点下目标信号不存在，更换当前搜索频点，回到步骤(3)进行下一频点的搜索(若完成所有频点搜索，则回到第一频点重新开始)；当flag＝1时，判定目标信号存在，捕获成功，并将当前搜索频率和峰值位置I分别作为多普勒频率和地址码相位捕获结果输出，完成捕获进程。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。